专利名称：带光栅光纤的碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种可用于修复钢筋混凝土结构的碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术：
传统的钢筋混凝土结构修复方法主要包括加大结构加固法、外包钢加固法、预应力加固法、粘钢加固法等。这些加固方法存在的弊端是(1)增加结构体积和重量、(2)施工周期长影响使用、(3)需大型修理设备且无法修复曲面形体等复杂的结构。采用碳纤维复合材料加固修复钢筋混凝土结构具有高强度、耐腐蚀、抗震性好、可设计性好、成型容易的优点，它可以解决传统的钢筋混凝土结构修复方法所存在的弊端，但是，采用碳纤维复合材料加固修复钢筋混凝土结构只有加固修复的单一功能，而不具备对被加固结构的健康状态进行长期实时监测的功能。
发明内容
为了实现对采用碳纤维复合材料修复的钢筋混凝土结构进行实时监测，从而提供了一种带光栅光纤的碳纤维复合材料及其制备方法。本发明包含碳纤维结构层1，它还包含多个布拉格光栅光纤2，多个布拉格光栅光纤2固定在碳纤维结构层1的内部并且布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1中的碳纤维束1-1平行排列。本发明的制备方法的步骤包括一、选择布拉格光栅光纤2的规格，光纤是单模光纤并且它的表面有聚丙烯保护层；二、将布拉格光栅光纤2在碳纤维结构层1固化前埋入到碳纤维结构层1中，并且保证布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1中的碳纤维束1-1平行排列。本发明利用布拉格光栅波长与实测应变的关系判断修复后的钢筋混凝土结构的健康情况。用本发明加固修复钢筋混凝土结构，再与钢筋混凝土结构荷载效应数值模拟软件匹配，便可以实现集先进加固与实时健康测评双重功能于一体的目的，这对预防重要结构突发性的破坏有重大意义。本发明兼具碳纤维复合材料与布拉格光栅光纤传感器的优点轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、传感精度高达1～2με、抗电磁干扰、准分布式传感、抗潮防水、稳定性与耐久性好。
图1为本发明的立体结构示意图，图2是图1的A-A剖面示意图，图3是图1的B-B剖面示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1、图2和图3说明本具体实施方式
，本具体实施方式
由碳纤维结构层1和多个布拉格光栅光纤2组成，多个布拉格光栅光纤2固定在碳纤维结构层1的内部并且布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1中的碳纤维束1-1平行排列。
具体实施方式
二结合图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同点是它还包括保护管3，布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1出口处的裸光纤上套有保护管3并且保护管3的一部分固定在碳纤维结构层1中。采用本具体实施方式
时，对布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1出口处的光纤进行了保护，目的是为了避免损坏在布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1出口处的裸光纤。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同点是碳纤维结构层1是碳纤维无纬布和改性环氧树脂的混合物。在本具体实施方式
制作的过程中，要保证单向碳纤维无纬布被改性环氧树脂基体浸透，又要特别保护光纤光栅。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
三的不同点是碳纤维结构层1中碳纤维无纬布的重量占碳纤维结构层1的重量的50～65％。采用本具体实施方式
时，碳纤维单向布抗拉强度大于3000Mpa，弹性模量大于235000Mpa，环氧树脂正拉伸粘结强度大于3Mpa，拉伸剪切强度大于20Mpa。其它组成和连接关系与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
四的不同点是碳纤维结构层1中碳纤维无纬布的重量占碳纤维结构层1的重量的50％。其它组成和连接关系与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
四的不同点是碳纤维结构层1中碳纤维无纬布的重量占碳纤维结构层1的重量的60％。其它组成和连接关系与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
七结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
四的不同点是碳纤维结构层1中碳纤维无纬布的重量占碳纤维结构层1的重量的65％。其它组成和连接关系与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
八结合图1、图2和图3说明本具体实施方式
，本具体实施方式
的制备方法的步骤包括一、选择布拉格光栅光纤2的规格，光纤是单模光纤并且它的表面有聚丙烯保护层；二、将布拉格光栅光纤2在碳纤维结构层1固化前埋入到碳纤维结构层1中，并且保证布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1中的碳纤维束1-1平行排列。本具体实施方式
采用布拉格光栅光纤，它具有灵敏度高、性能稳定、耐腐蚀、质地轻柔形状可变、一线多点分布测量、可实现远程监测与集中管理等优异性能，并且它与碳纤维复合材料有很好的结合性，碳纤维复合材料是光纤光栅的优良封装保护材料；将布拉格光栅光纤传感器埋入到碳纤维复合材料中可以用来感应修复后的钢筋混凝土结构的应力变化。
具体实施方式
九结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
八的不同点是它还包括三、将布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1出口处的裸光纤套上保护管3，并在碳纤维结构层1固化前将布拉格光栅光纤2与碳纤维结构层1出口处的跳线和保护管3的一部分也埋入到碳纤维结构层1中。其它步骤与具体实施方式
八相同。采用本具体实施方式
避免了在碳纤维结构层1出口处布拉格光栅光纤2受到损伤而影响到数据的传输。
具体实施方式
十本具体实施方式
与具体实施方式
八的不同点是；步骤一中选择的布拉格光栅光纤2的裸光纤的包层直径为80～125μm，单模光纤表面聚丙烯保护层的外直径是120～245μm。单模光纤表面的聚丙烯保护层是为了保护光纤，使所述光纤在传输数据时不受干扰。其它步骤与具体实施方式
八相同。
具体实施方式
十一本具体实施方式
与具体实施方式
十的不同点是步骤一中选择的布拉格光栅光纤2的裸光纤的包层直径为80μm，单模光纤表面聚丙烯保护层的外直径是120μm。其它步骤与具体实施方式
十相同。
具体实施方式
十二本具体实施方式
与具体实施方式
十的不同点是步骤一中选择的布拉格光栅光纤2的裸光纤的包层直径为125μm，单模光纤表面聚丙烯保护层的外直径是245μm。其它步骤与具体实施方式
十相同。
具体实施方式
十三本具体实施方式
与具体实施方式
十的不同点是步骤一中选择的布拉格光栅光纤2的裸光纤的包层直径为100μm，单模光纤表面聚丙烯保护层的外直径是180μm。其它步骤与具体实施方式
十相同。
具体实施方式
十四结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
八的不同点是步骤一中选用的布拉格光栅光纤2的光纤波段为1.50～1.60μm，光栅波长集中在1528～1568nm。其它步骤与具体实施方式
八相同。
具体实施方式
十五结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
十四的不同点是步骤一中选用的布拉格光栅光纤2的光纤波段为1.55μm。其它步骤与具体实施方式
十四相同。
具体实施方式
十六结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
八的不同点是步骤二中布拉格光栅光纤2置入的体积占碳纤维结构层1的体积的0.01～0.98％。其它步骤与具体实施方式
八相同。实验结果表明，在碳纤维结构层1中置入的布拉格光栅光纤2全部成活且信号稳定，且本发明材料的应变-荷载的线形相关度系数均在0.995以上，加载卸载均有很好的重复性和稳定性，本发明的材料多应变传感具有良好的线形关系，应变灵敏系数与理论值非常接近，相对差异不超过5％。
具体实施方式
十七结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
十六的不同点是步骤二中布拉格光栅光纤2置入的体积占碳纤维结构层1的体积的0.01％。其它步骤与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
十八结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
十六的不同点是步骤二中布拉格光栅光纤2置入的体积占碳纤维结构层1的体积的0.49％。其它步骤与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
十九结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
十六的不同点是步骤二中布拉格光栅光纤2置入的体积占碳纤维结构层1的体积的0.98％。其它步骤与具体实施方式
十六相同。
权利要求
1.带光栅光纤的碳纤维复合材料，包含碳纤维结构层(1)，其特征在于它还包含多个布拉格光栅光纤(2)，多个布拉格光栅光纤(2)固定在碳纤维结构层(1)的内部并且布拉格光栅光纤(2)与碳纤维结构层(1)中的碳纤维束(1-1)平行排列。
2.根据权利要求1所述的带光栅光纤的碳纤维复合材料，其特征在于它还包括保护管(3)，布拉格光栅光纤(2)与碳纤维结构层(1)出口处的裸光纤上套有保护管(3)并且保护管(3)的一部分固定在碳纤维结构层(1)中。
3.根据权利要求1所述的带光栅光纤的碳纤维复合材料，其特征在于它的碳纤维结构层(1)是碳纤维无纬布和改性环氧树脂的混合物。
4.根据权利要求3所述的带光栅光纤的碳纤维复合材料，其特征在于它的碳纤维结构层(1)的碳纤维无纬布的重量占碳纤维结构层(1)的重量的50～65％。
5.带光栅光纤的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于它的步骤为一、选择布拉格光栅光纤(2)的规格，光纤是单模光纤并且它的表面有聚丙烯保护层；二、将布拉格光栅光纤(2)在碳纤维结构层(1)固化前埋入到碳纤维结构层(1)中，并且保证布拉格光栅光纤(2)与碳纤维结构层(1)中的碳纤维束(1-1)平行排列。
6.根据权利要求5所述的带光栅光纤的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于它还包括三、将布拉格光栅光纤(2)与碳纤维结构层(1)出口处的裸光纤套上保护管(3)，并在碳纤维结构层(1)固化前将布拉格光栅光纤(2)与碳纤维结构层(1)出口处的跳线和保护管(3)的一部分也埋入到碳纤维结构层(1)中。
7.根据权利要求5所述的带光栅光纤的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于它的步骤二中布拉格光栅光纤(2)置入的体积占碳纤维结构层(1)的体积的0.01～0.98％。
8.根据权利要求5所述的带光栅光纤的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于它的步骤一中选择的布拉格光栅光纤(2)的裸光纤的包层直径为80～125μm，单模光纤表面聚丙烯保护层的外直径是120～245μm。
9.根据权利要求5所述的带光栅光纤的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于它的步骤二中布拉格光栅光纤(2)光纤波段为1.50～1.60μm，光栅波长集中在1528～1568nm。
全文摘要
带光栅光纤的碳纤维复合材料及其制备方法，它具体涉及一种可用于修复钢筋混凝土结构的碳纤维复合材料及其制备方法，它的目的是为了实现对采用碳纤维复合材料修复的钢筋混凝土结构进行实时监测。本发明的多个布拉格光栅光纤2固定在碳纤维结构层1的内部并且2与1中的碳纤维束1－1平行排列。本发明的制备方法的步骤包括一、选择布拉格光栅光纤2的规格，光纤是单模光纤并且它的表面有聚丙烯保护层；二、将2在碳纤维结构层1固化前埋入1中并且保证2与1中的碳纤维束1－1平行排列。用本发明加固修复钢筋混凝土结构，再与钢筋混凝土结构荷载效应数值模拟软件匹配，便可以实现集先进加固与实时健康测评双重功能于一体的目的。
文档编号C04B30/00GK1733645SQ200510010148
公开日2006年2月15日 申请日期2005年7月1日 优先权日2005年7月1日
发明者谢怀勤, 卢少微 申请人:哈尔滨工业大学